本发明属于工模具钢技术领域，特别涉及一种高硬度高韧性易焊接预硬化塑料模具钢及其制备方法；适用于各类特大型高抛光性能塑料模具用钢。
背景技术：
预硬化型塑料模具钢是塑料模具钢中的重要高端品种之一，由于以预硬化热处理状态交货，用户可直接加工成模具而不需要再进行热处理，避免了热处理变形和开裂、缩短了模具制造周期、减低了生产成本，越来越受到广泛应用。特别是随着以汽车、家电模具为代表的大型塑料成形模具对大型预硬化塑料模具钢的需求逐步增加，随着此类塑料制品要求的提高，大型汽车、家电预硬化塑料模具钢的发展趋势是大型化和高抛光性能(镜面光洁度)。大型预硬化塑料模具钢使用厚度最大达到1300mm、宽度1500mm、长度2000mm，单块吨位达到30t。传统常用3cr2mnnimo预硬化塑料模具钢通常的使用厚度是800mm左右，预硬化硬度32～36hrc，更大的截面尺寸以及更高的预硬化硬度下，该钢的韧性、淬透性和组织均匀性等性能不足，不能够很好的满足特大型高抛光性能预硬化塑料模具的需求。同时，模具用户更注重模具组合焊接和补焊性能，传统3cr2mnnimo钢的焊接性能不能很好的满足要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高硬度高韧性易焊接预硬化塑料模具钢及其制备方法，是设计mn-ni-mo-v复合合金化高温析出强化高性能预硬化塑料模具钢。通过高温析出强化，延缓回火硬度降低，获得更高预硬化硬度。通过低c，mn-ni-mo-v复合合金化的合金化设计获得更高冲击韧性、降低元素和组织偏析，进而获得更佳综合性能，获得优异焊接性能。通过mn-ni-mo-v复合合金化获得更优异淬透性。发明一种适宜制作特大截面尺寸的具备高硬度、高韧性、淬透性、高抛光性、优异切削性等各方面综合性能优异的一种新型已焊接预硬化型塑料模具钢。
本发明具有高硬度、高韧性、易焊接、高淬透性、优异切削加工性能，优异综合性能的预硬化型塑料模具钢。
本发明设计相对较低的c含量，使钢材易获得高韧性，避免由于c含量过高引起偏析、避免大尺寸钢锭心部形成大颗粒碳化物，实现钢材的易切削加工，实现钢材易焊接。设计mn-ni-mo-v复合合金化技术手段，产生高温析出强化作用，延缓马氏体回复产生的硬度降低，获得高预硬化硬度；优化其合金元素配置改善冲击韧性，改善结晶组织偏析；增强钢的淬透性能。通过以上综合作用的结合，得到一种硬度、韧性、淬透性、均匀性、加工性各项性能优异的易焊接预硬化塑料模具钢。
本发明钢的化学成分(重量％)如下：c：0.20～0.30％，si：0.20～0.50％，s：≤0.030％，p：≤0.030％，mn：1.0～2.0％，ni：1.5～3.0％，mo：0.5～1.5％，cr：1.5～2.5％，v：0.1～1.0％，余量为fe及不可避免的杂质。
上述各元素的作用及配比依据如下：
c：预硬化塑料模具钢中固溶强化元素，当钢中的碳含量较低时经淬火后室温下钢的组织为细小的板条马氏体，低碳的板条马氏体强而韧，随着碳含量的增加，马氏体的过饱和程度增加，畸变程度增加，高碳马氏体一般呈针片状，硬度更高。较高的碳含量必将会损失冲击韧性。碳是影响焊接性能的关键元素，碳含量越高焊接性能越差。为了获得更高的冲击韧性和更好的焊接性能，本发明中设计相对低的c含量范围0.20～0.30％。
si：作为脱氧元素而加入，含量一般控制在0.20～0.50％。
mn：在大型预硬化塑料模具钢中，锰是提高钢的淬透性元素，使心部也能达到期许力学性能。适量的锰还可有效提高钢材强度，消除硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能，并改善钢材的冷脆倾向。本发明采用mn-mo-v合金化产生复合作用，进入渗碳体中，起到稳定渗碳体作用，使钢获得优异的抗回火软化性能，进而获得高的预硬化硬度。因此本发明中mn含量控制1.0～2.0％。
ni：镍是重要的提高淬透性元素，在某些钢中也能够改善韧性。本发明利用mn-ni-mo-v复合合金化产生复合作用，细化碳化物、增加淬透性，改善钢的冲击韧性与淬透性。本发明钢中确定ni含量为1.5～3.0％。
cr：铬可以置换渗碳体中的铁原子，形成合金渗碳体或与c形成合金碳化物，起到碳化物稳定化和抗回火软化作用。本发明中cr主要的目的是提高抗回火软化性能、提高淬透性、增加钢的强度。然而添加cr含量必须严格控制，cr太高则会与c形成合金碳化物，在大型模块中极易产生偏析。因此综合考虑以上原因，控制其含量在1.5～2.5％。
mo：钼是二次硬化碳化物形成元素，本发明通过mo、v复合析出强化作用产生二次硬化效应，提高钢的预硬化硬度。通过mn-mo-v复合合金化，提高钢对回火软化的抗力。进入合金渗碳体中，延缓合金渗碳体长大，细化碳化物，进而改善冲击韧性。钼还对改善钢的耐点蚀性能优异，添加钼提高钢的耐点蚀性能。钼又降低或抑制因其他元素所导致的回火脆性。本发明控制mo含量在0.5～1.5％。
v：钒也是重要的二次硬化碳化物形成元素，本发明通过mo、v复合析出强化作用产生二次硬化效应，提高钢的预硬化硬度。通过mn-mo-v复合合金化，提高钢对回火软化的抗力。进入合金渗碳体中，延缓合金渗碳体长大，细化碳化物，进而改善冲击韧性。钒还是有效的阻碍晶粒长大元素，利用钒细化奥氏体晶粒，改善冲击韧性。但在钢中加入过量v时，则会增大元素偏析，严重时会形成vc一次碳化物。本发明钢中将v含量控制为0.1～1.0％。
p：磷在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大。控制p的含量在0.030％以下，并且含量越低越好。
s：硫为不可避免的不纯物，形成fes，给钢带来热脆性。控制s含量在0.030％以下，并且含量越低越好。
本发明采用与现有技术相似的制备方法：
本发明钢可采用电弧炉、感应炉冶炼，钢水浇铸成钢锭，根据需要可进行电渣重熔，经锻造成材或开坯后轧制成棒、模块、扁钢等。再经淬火和回火热进行预硬化热处理，达到预期使用硬度和服役性能要求。步骤如下：
(1)冶炼：采用转炉、电炉、感应炉、炉外精炼、电渣重熔等方式进行熔炼，浇铸成钢锭，对钢锭进行缓冷或800～900℃保温退火处理；
(2)锻造：将铸锭充分加热，以30℃/s～70℃/s升温速度缓慢加热，加热温度1150～1200℃，始锻温度1150～1180℃，终锻温度不得低于850℃。
(3)退火：锻后以850～1000℃保温处理，以缓慢30℃/s冷却至650℃±10℃保温，炉冷低于400℃出炉；
(4)预硬化热处理工艺：在860～920℃进行固溶处理，出炉水冷或油冷至室温，再在540～650℃进行回火处理；
(5)经过550～570℃回火，能够实现预硬化硬度≥41hrc，冲击韧性≥85j，抗拉强度≥1350mpa。
本发明与现有技术相比具有高硬度、高冲击韧性、易焊接、高抛光性能、优异切削性能等优良综合性能的优点。与现有模具钢相比，本发明钢具有更高的强韧性，更好的淬透性能，更好的焊接性能，适宜制作特大型预硬化模块，可更好的满足用户需求。
具体实施方式
根据本发明所设计的化学成分范围，在25kg真空感应炉上冶炼了4炉本发明钢，其具体化学成分如表1所示。钢水浇铸成锭，并经锻造制成
本发明钢具有在保持高硬度的前提下，具有更好的韧性。
1.经相同温度淬火，不同温度回火，发明钢1#、2#、3#、4#比对比钢5#在超过540℃温度具有更高的回火硬度，5#对比钢硬度呈线性下降趋势，发明钢1#、2#、3#、4#回火硬度有回升趋势。(见表3、表4)
2.经相同温度淬火，500～640℃回火后，发明钢1#、2#、3#、4#比对比钢5#更好的冲击韧性，能够更好的满足高硬度预硬化更高韧性的要求。(见表5、表6)
3.经相同温度淬火，560～640℃回火后，发明钢1#、2#、3#、4#比对比钢5#更好的抗拉强度，能够更好的满足高强度的要求。(见表7)
表1实施例与对比钢的化学成分，重量％
表2实施例与对比钢不同温度淬火的硬度值
表3实施例与对比钢在880℃淬火不同温度回火的硬度值
表4实施例与对比钢在920℃固溶不同温度时效的硬度值
表5实施例与对比钢在880℃固溶不同温度回火的冲击韧性
表6实施例与对比钢在920℃固溶不同温度回火的冲击韧性
表7实施例与对比钢在880℃固溶不同温度回火的抗拉强度
说明：
(1)淬火在箱式电阻炉中进行，保温30分钟，油冷。
(2)不同温度回火2小时，空冷。